Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Vorgänge in modernen ReRAM-Speicherzellen entschlüsselt

29.09.2015

Memristive Speicherzellen, kurz ReRAM, gelten als Superspeicher der Zukunft. Aktuell werden zwei Grundkonzepte verfolgt, die bisher mit unterschiedlichen Arten von aktiven Ionen in Verbindung gebracht wurden. Doch das ist nicht ganz richtig, wie Jülicher Forscher gemeinsam mit südkoreanischen, japanischen und amerikanischen Kollegen überraschend festgestellt haben. Denn in Valenzwechsel-Zellen (VCM) sind neben negativ geladenen Sauerstoff-Ionen – genau wie in elektrochemischen Metallisierungszellen (ECM) – auch positiv geladene Metall-Ionen aktiv. Der Effekt ermöglicht es, die Schalteigenschaften gezielt anzupassen und die beiden Konzepte ineinander zu überführen. (Nature Nanotechnology)

ReRAM-Zellen zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Ihr elektrischer Widerstand lässt sich durch das Anlegen einer elektrischen Spannung verändern. Dadurch verhalten sich die Zellen ähnlich wie ein magnetisches Material, das magnetisiert und wieder entmagnetisiert wird.


Bildung eines Tantalum (Ta)-Filaments in einer Ta/TaO(x)/Pt-ReRAM-Speicherzelle: Sauerstoffleerstellen und positiv geladene Ta(5+)-Ionen sind an dem Prozess beteiligt.

Copyright: Forschungszentrum Jülich / RWTH Aachen / Pössinger


Blick ins Oxid Cluster am Forschungszentrum Jülich, in dem resistive und andere Materialschichten im Ultrahochvakuum hergestellt und untersucht werden

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Es gibt sozusagen einen ON- und einen OFF-Zustand. Auf diese Weise lassen sich digitale Informationen speichern, also Informationen, die nur zwischen „1“ und „0“ unterscheiden. Die wesentlichen Vorteile solcher ReRAMs: Sie lassen sich sehr schnell schalten, verbrauchen wenig Energie und sie behalten ihren Zustand auch dann eine lange Zeit bei, wenn keine äußere Spannung mehr anliegt.

Die memristiven Eigenschaften von ReRAMs beruhen auf mobilen Ionen. Sie bewegen sich, im Grunde ganz ähnlich wie in einer Batterie, zwischen zwei Elektroden in einer nur wenige Nanometer dicken Metalloxidschicht hin und her. Lange Zeit dachte die Forschung, dass sich VCMs und ECMs in ihrer Funktionsweise deutlich unterscheiden. Bei ECMs wird der ON- bzw. OFF-Zustand erreicht, indem sich metallische Ionen bewegen und faserartige Filamente bilden.

Das passiert, in dem eine elektrische Spannung angelegt wird. Dadurch wächst ein solches Filament zwischen den beiden Elektroden der Zelle. Die Zelle wird praktisch kurzgeschlossen – der Widerstand sinkt schlagartig. Durch die gezielte Steuerung des Vorgangs lassen sich dann die Informationen speichern.

Die Schalteigenschaften sogenannter VCMs wurden dagegen in erster Linie mit der Verschiebung von Sauerstoff-Ionen in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu den Metall-Ionen sind sie negativ geladen. Durch das Anlegen einer Spannung bewegen sich die Ionen aus einer sauerstoffhaltigen Metallverbindung heraus. Das Material wird schlagartig leitfähiger. Auch hier geht es darum, diesen Prozess gezielt zu steuern.

Allerdings entdeckten die Jülicher Forscher gemeinsam mit ihren Partnern von der Chonbuk National University in Jeonju, dem National Institute for Materials Science in Tsukuba und dem Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Boston bei den VCMs einen unerwarteten zweiten Schaltprozess: Auch in VCMs tragen nämlich Metall-Ionen auch zu der Filamentbildung bei. Der Vorgang wurde erst sichtbar, weil die Wissenschaftler die Bewegung der Sauerstoff-Ionen unterdrückten. Dazu modifizierten sie die Oberflächen indem sie eine dünne Kohlenstoff-Schicht direkt über dem Elektrodenmaterial anbrachten.

In einem Fall verwendeten sie dafür das auch als „Wundermaterial“ bekannte Graphen, das nur aus einer einzigen Lage Kohlenstoff besteht. „Graphen soll den Transport von Sauerstoff-Ionen durch die Phasengrenze unterdrücken, und die Reaktionen von Sauerstoff bremsen. Wir konnten plötzlich eine Schaltcharakteristik beobachten, die der einer ECM-Zelle gleicht und gehen daher davon aus, dass auch in VCMs bewegliche Metall-Ionen aktiv sind. Dies wurde durch zusätzliche Experimenten mit Rastertunnelmikroskop (STM) und Diffusionsexperimente bestätigt. Offensichtlich unterstützen die Metall-Ionen den Schaltprozess zusätzlich“, so Dr. Ilia Valov, Elektrochemiker am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-7).

Der Einbau einer derartigen Zwischenschicht aus Kohlenstoff würde es erlauben, bei VCMs vom einen zum anderen Schaltprozess zu wechseln. Daraus würden sich neue Möglichkeiten ergeben, ReRAMs zu konstruieren. „Je nach Anwendung kann man sich unsere Erkenntnisse zunutze machen, indem der Effekt bewusst verstärkt oder gezielt unterdrückt wird“, erläutert Valov. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werfen jedoch auch Fragen auf: „Die bisherigen Modelle und Untersuchungen müssen auf Grundlage dieser Erkenntnisse nochmal überarbeitet und angepasst werden“, sagt der Jülicher Wissenschaftler. Weitere Tests sollen zudem klären, wie sich neuartige Bauelemente, die auf den Erkenntnissen aufbauen, in der Praxis verhalten.

Die Forschungsarbeiten wurden zum Teil vom BMBF (Projekt Nr. 03X0140) und SFB 917 der DFG finanziert.

Die Ergebnisse sind in den Fachzeitschriften „Nature Nanotechnology“ und „Advanced Materials“ erschienen.

Originalpublikationen:
Nanoscale cation motion in TaOx, HfOx and TiOx memristive systems
Anja Wedig, Michael Luebben, Deok-Yong Cho, Marco Moors, Katharina Skaja, Vikas Rana, Tsuyoshi Hasegawa, Kiran K. Adepalli, Bilge Yildiz, Rainer Waser, Ilia Valov
Nature Nanotechnology (published 28 September 2015), DOI: 10.1038/nnano.2015.221
Abstract: http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.221

Graphene-Modified Interface Controls Transition from VCM to ECM Switching Modes in Ta/TaOx Based Memristive Devices
Michael Lübben, Panagiotis Karakolis, Vassilios Ioannou-Sougleridis, Pascal Normand, Panagiotis Dimitrakis, Ilia Valov
Advanced Materials (first published 10 September 2015), DOI: 10.1002/adma.201502574
Abstract:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502574/abstract

Weitere Informationen:
Internet-Dossier „Resistive Speicher“: http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Forschung/it-gehirn/ResistiveSpeicher/_node.h...
Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-7/DE/Home/home_node.html

Ansprechpartner:
Dr. Ilia Valov, Peter Grünberg Institut, Elektronische Materialien (PGI-7)
Tel. +49 2461 61-2994
i.valov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-09-28nnano_...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Enzyme als Doppelagenten: Neuer Mechanismus bei der Proteinmodifikation entdeckt
08.07.2020 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Ins richtige Licht gerückt - Reproduzierbare und nachhaltigere Kupplungsreaktionen
08.07.2020 | Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Im Focus: Robuste Materialien in Schwingung versetzt

Kieler Physikteam beobachtet in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse

In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien...

Im Focus: Excitation of robust materials

Kiel physics team observed extremely fast electronic changes in real time in a special material class

In physics, they are currently the subject of intensive research; in electronics, they could enable completely new functions. So-called topological materials...

Im Focus: Neues Verständnis der Defektbildung an Silizium-Elektroden

Theoretisch lässt sich das Speichervermögen von handelsüblichen Lithiumionen-Batterien noch vervielfachen – mit einer Elektrode, die auf Silizium anstatt auf Graphit basiert. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Ein internationales Team um Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat jetzt in einzigartiger Detailgenauigkeit beobachtet, wie sich die Defekte in der Anode ausbilden. Dabei entdeckten sie bislang unbekannte strukturelle Inhomogenitäten in der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt. Die Erkenntnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen-Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit, bei gleichem...

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Löchrige Graphenbänder mit Stickstoff für Elektronik und Quantencomputing

08.07.2020 | Materialwissenschaften

Graphen: Auf den Belag kommt es an

08.07.2020 | Materialwissenschaften

Enzyme als Doppelagenten: Neuer Mechanismus bei der Proteinmodifikation entdeckt

08.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics